JP2005024378A

JP2005024378A - 電磁波画像処理装置

Info

Publication number: JP2005024378A
Application number: JP2003189958A
Authority: JP
Inventors: Tatsuto Okamoto; 達人岡本; Motohiro Kuniyone; 基宏国米; Shigeru Hosoda; 茂細田; Shigeki Koya; 茂樹小屋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-07-02
Filing date: 2003-07-02
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】焦点距離を短縮することにより、分解能をより改善した電磁波画像処理装置を提供する。
【解決手段】電磁波を対象物に対して斜め照射する複数の送信手段と、上記対象物のエッジによって発生する散乱反射波を受信する複数の受信手段と、上記複数の受信手段の受信電界強度を求める検波手段と、上記検波手段の出力を自装置の移動距離に対応させて二次元情報を取得する画像処理手段とを備える。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁波画像処理装置に係わり、特に使い勝手の良いポータブル型の電磁波画像処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電磁波には、周波数が３００ＧＨｚ以上のもの（Ｘ線、紫外線、可視光線、赤外線等）から、周波数が３００ＧＨｚ以下のもの（ミリ波等）がある。例えば、Ｘ線は、エネルギーが高く物体の透過性が高いため、医療目的で照射回数を管理した上で人体照射に使用されたり、空港での貨物の内部検査等に使用される。ミリ波は、可視光線や赤外線に比べ波長が長いため（１ｃｍ〜１ｍｍ）、繊維（棉、羊毛、化学繊維等）で出来た通常の衣服を透過し、金属やセラミックでは反射する。一方で、ミリ波を人体に照射すると、反射と吸収の両方がおきるという特性がある。そこで、従来、ミリ波を衣服の上から照射して衣服内の隠匿物（ナイフ、銃器等）を検出し、或いはその隠匿物を画像化する装置が存在した。例えば、米国特許５４５５５９０号明細書にはミリ波受信機を一次元に配置し、これを対象物体の近傍で直線運動させて二次元画像を取得する装置が開示されている。また、米国特許５７６０３９７号明細書には、対象物体と二次元配置されたミリ波受信機との間に誘電体レンズを配置し、各受信機から得た二次元情報を映像化する装置が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許５４５５５９０号明細書
【特許文献２】
米国特許５７６０３９７号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術では、対象物と画像処理装置との距離が長く、得られる画像の分解能に問題があった、
上記問題点に鑑みて、本発明は、焦点距離を短縮することにより、分解能をより改善した電磁波画像処理装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本装置は、ミリ波送信波を対象物体に斜め上方より照射する送信機とその対象物体のエッヂによって起る散乱反射波を受信する受信機のアレイを持つ。更に本装置は、受信機アレイの各受信電界強度を出力する検波部と検波部アレイの出力した一次元の方絡線郡を移動距離に対応させて二次元情報に変換させる画像処理部を持ち、この画像処理部にミリ波画像を演算させる。画像処理部は、三軸加速度センサによって得られた加速度情報を元に、時間に対する二階積分値である距離を算出して、装置自体の移動距離を取得する。画像処理部は、同じく装置自体に取り付けられた姿勢検出ジャイロによって重力方向を取得して、三軸加速度センサが報告する加速度の中に含まれる誤差成分である重力加速度を相殺する。得られたミリ波電界強度の二次元画像情報を画像処理部は液晶画面に表示させる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態ついて、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明によるポータブル型の電磁波画像処理装置を上面から見た斜視図である。
図１において、１２は装置筐体、１３は撮像ボタン、１４はハンドル（握り部）、１５は画面（例えば、液晶）、１００は明るさや画像の拡大縮小等を指示するファンクションキーを示す。
【０００７】
図２は、ポータブル型の電磁波画像処理装置を下面から見た斜視図である。図２において、７は電磁波を対象物に照射する送信レンズ、１は対象物から反射された電磁波を受信する受信レンズを示しており、それぞれ一直線上に複数設けられている。
【０００８】
図３は、本発明による電磁波画像処理装置に備える送信系（ミリ波送信機）と受信系（ミリ波受信機）の光学的な位置関係を示す図である。図３において、Ａは送信系（ミリ波送信機）、Ｂは受信系（ミリ波受信機）の光学的な位置関係を示すとともに、それぞれの構成概略を示している。
【０００９】
送信系（ミリ波送信機）Ａは、送信レンズ７と送信鏡筒８と送信アンテナ９と送信高周波部１０と送信筐体１１等を備える。送信レンズ７は、誘電体で構成されたレンズで、送信アンテナが放射状に出力する送信電波を直進する平行電波に整光して出力する。送信鏡筒８は、送信アンテナ９が放射する送信電力のうち、送信レンズで集光されない不要部分が漏洩することを防ぐ電波遮断壁である。筒内壁は電波吸収体で包囲され、筒内壁で生じる不要多重反射を防止する。送信アンテナは、送信高周波部１０が出力する高周波電気信号を電波に変換し、空間に放射する素子である。送信高周波部１０は、ミリ波、マイクロ波の発信機と送信電力増幅器、及びその周囲制御回路で構成され、送信アンテナ９に高周波電力を出力する。送信筐体１１は、送信高周波部１０を機械的に固定するとともに、高周波部内の各回路ブロックのグラウンド点にグランド電位を供給する。また、送信高周波部１０が空間に輻射してしまう不要輻射を遮断する密閉された金属箱である。
【００１０】
受信系（ミリ波受信機）Ｂは、受信レンズ１と受信鏡筒２と受信アンテナ３と受信高周波部（受信ミリ波回路）４と受信筐体５とＡ／Ｄコンバータ等を備える。受信レンズ１は、対象物のエッジで散乱された電波のうち、光軸上に存在する散乱光だけを取り込み、受信アンテナ３に導く集光器である。受信鏡筒２は、受信レンズ１で補足した電波以外の電波が受信レンズ１に到達することを防ぐ電波防護壁である。受信アンテナ３は、受信レンズ１で集光された電波を電気信号に変換する素子である。受信高周波部４は、受信アンテナ３にて変換された高周波電気信号を周波数選択、電力増幅、周波数変換、帯域制限等を行った後に検波を行い、その検波信号を出力する。受信筐体５は、受信高周波部４を機械的に固定するとともに、アナロググランド電位を高周波部内のグランド点に供給する。また、電気シールド機能を併せ持つ密閉された金属箱である。Ａ／Ｄコンバータ６は、受信高周波部４が出力する方絡線検波信号を、後にディジタル信号処理を行うために量子化する素子である。
【００１１】
ミリ波回路１１にて照射されるミリ波電気信号は同回路の末端に有るアンテナエレメンントにより送信導波管９に電磁波として照射される。この送信波は送信導波管９を出た後、送信レンズ７にて平行光に整えられ人体と隠匿物に向かって斜め照射される。この送信電波は送信レンズ７にて平行光に変換されるために、装置自体と被検出物（隠匿物）との距離が変化しても被検出物に到達する電波の電力密度が変化しない利点を持つ。ここで人体に比べ隠匿物はエッヂを持たない形状であるために人体や隠匿物に対して垂直に配置される受信機には直接反射光が到達しない。しかし、隠匿物はエッヂが有る形状である場合にエッヂにおいて等方に照射光（ミリ波）を散乱する。この散乱光だけを受信機は受信する。受信機の光軸は人体部位の法線上にある。また、送信機光軸は人体部位の法線に対し斜めに交わるために、受信機は人体部位からの直接反射光を検出することが無い。受信レンズ１を経由し受信導波管３に集光されたミリ波は受信ミリ波回路末端に有るアンテナエレメントによって電気信号へと変換され、同じく受信ミリ波回路４にてミリ波信号が方絡線検波される。この方絡線信号は近接するＡ／Ｄコンバータ６にてディジタル信号に変換される。
図４は、本発明による電磁波画像処理装置に備える主要構成部間の接続関係を示す図である。ここで、位置センサ１６は、装置の位置を３次元で検出するための３軸加速度センサと装置の地軸に対する姿勢を検出するための圧電ジャイロにより構成される。圧電ジャイロが出力する重力方向を元に重力加速度を３軸に応じた分力に分解し、３軸加速度センサから出力される３軸方向加速度から重力加速度の各分力を差し引いて３軸の各加速度真値を求める。画像処理部１７は、位置センサ１６で得られた３次元移動情報とＮ個の受信高周波部から出力されるＮ組の検波電圧より、Ｎ組の受信電力強弱を２次元平面上に描画する信号処理部である。一直線上に配置された受信部１〜受信部Ｎからは同一直線上に等間隔に存在する点での受信電波電力に応じた検波電圧１〜検波電圧Ｎを発生する。画像処理部は各検波電圧に応じて対数的、または直線的に画素の濃淡階調度を決定し、液晶画面上の同一直線上の画素濃淡階調度を制御する。直線上に等間隔に配置されるＮ個の受信部が、これと垂直な方向に移動することで、画像処理部は２次元の受信電力強度を得る。移動距離は位置センサ１６から画像処理１７部に報告される。二次電池１８は、装置本体に内蔵されることで、電源ケーブルを排除し、携帯装置の操作性を確保する。
【００１２】
受信ミリ波回路にて検波出力される方絡線信号は、受信機の光軸が隠匿物のエッジの上に来たときに振幅が最大となるが、図４に示すように複数個一次元配置したものを対象物の上で走査させた場合には、二次元の画像情報を得ることができる。一次元の方絡線情報を画像処理部１７に集計させ、且つ装置自体が移動した距離を位置センサ１６で検出し、画像処理部１７によって一次元の方絡線情報と移動距離情報を元に二次元画像化する。画像処理部では生成した二次元画像情報に対して、強弱を強調するなどの画像処理を行い、液晶画面１５へ取得画像を送信する。この携帯型画像取得装置は一体型であるべく二次電池１８を包含し、この二次電池１８で全回路を駆動する。なお、画像取得条件によっては人体と隠匿物エッヂとの反射波の比が十分に確保できない場合があるため、図５のように送信波の偏波面１と受信波の偏波面２とを直交させるモードを設けることで、エッヂでの散乱における偏波面の回転を利用し、より人体と隠匿物エッヂとの反射波電力の差を大きくすることで取得画像のＳＮ比を高くするようにしても良い。
【００１３】
送信系（ミリ波送信機）と受信系（ミリ波受信機）の構成を示すブロック図である。
【００１４】
図６は、高周波部の構成を示すブロック図である。高周波部は、発信器１９と送信増幅器２０と送信アンテナを持つ送信機と、受信アンテナ２２と低雑音増幅器２３と検波器２４とローパスフィルタ２５、およびＡＤコンバータ２６で構成される受信機とで成り立つ。
【００１５】
ここで、発振器１８は、搬送波周波数を発生させるための発振回路であり、周波数を外部から電圧で制御可能な電圧制御発振器である。送信増幅器２０は、発振器出力を送信に必要な電力にまで増幅し、且つ送信アンテナの負荷変動が起きても発振器の負荷変動が生じないことを目的とした電力増幅器である。送信アンテナ２１は、送信波の電気信号を電波に変換する素子。受信アンテナ２２は、反射波を電器信号に変換する素子である。低雑音増幅器２３は、受信アンテナが出力する高周波電気信号を、検波器が動作するのに十分な電力に増幅する艇雑音増幅器である。検波器２４は、低雑音増幅器出力の電力を片波整流、または両波整流する整流器である。ローパスフィルタ２５は、検波器出力を入力し方絡線検波電圧に平滑する積分器である。Ａ／Ｄ変換器２６は、方絡線電圧をディジタル値に変換するＡＤ変換器である。
【００１６】
図７では、図６のＳＮ比を高める手段を示す。乗算器２７と局部発信器２８を加え、受信高周波信号を中間周波信号に周波数変換させ、ＩＦフィルタ２９によってイメージ信号の除去をさせると同時に帯域制限もさせることで受信信号のＳＮ比を更に高くする。
【００１７】
ここで、乗算器２７は、入力される２信号の乗算成分を出力する乗算器である。局部発信器２８は、入力される搬送波信号周波数ω１を乗算器に入力して中間周波数に変換するための、周波数信号を発振する発振器である。ＩＦフィルタ２９は、乗算器出力に含まれる不要な高次の高調波と高次の映像周波数を除去し、且つＩＦ信号の帯域幅の制限を行うバンドパスフィルタである。
【００１８】
図８では、図６の検波器のダイナミックレンジを広げる手段を示す。検波器２４の代わりに直交復調器３０を設けこれらから出力される直交出力Ｉ，Ｑ信号をＡＤコンバータ２６でディジタル信号化した後に、電力計算部３１にてＩ信号の２乗とＱ信号の２乗の和をとって受信信号を算出することで要求される高いダイナミックレンジが実現される。
【００１９】
ここで、直交復調器３０は、入力される受信信号を、局部発振器の出力信号位相に対して同相成分と直交成分とに分解する乗算器である。電力計算部３１は、直交復調器からの直交出力Ｉ相とＱ相の２乗和を取り電力見積を行う部位である。
【００２０】
図９、１０では実際に本明細書で示す撮影方法を用いて各々拳銃とセラミックナイフをミリ波撮影した原理実験画像を示す。それぞれ物体のエッジの部分か、或いは曲面部が輝き、この中に含まれる直線部分を操作者が発見することで衣服内に潜む隠匿物を発覚できる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、焦点距離を短縮することにより、分解能を改善させた電磁波画像処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電磁波画像処理装置を上面から見た斜視図である。
【図２】本発明による電磁波画像処理装置を下面から見た斜視図である。
【図３】本発明による電磁波画像処理装置に備える送信系（ミリ波送信機）と受信系（ミリ波受信機）の光学的な位置関係を示す図である。
【図４】本発明による電磁波画像処理装置に備える主要構成部間の接続関係を示す図である。
【図５】直交する偏波面をもつ送信系（ミリ波送信機）と受信系（ミリ波受信機）の幾何学的な位置関係を示す図である。
【図６】高周波部の構成を示すブロック図である。
【図７】他の実施例による高周波部の構成を示すブロック図である。
【図８】同じく、他の実施例による高周波部の構成をブロック図である。
【図９】画面上の画像例（銃器）を示す図である。
【図１０】同じく、画面上の画像例（セラミックナイフ）を示す図である。
【符号の説明】
１受信レンズ
２受信鏡筒
３受信アンテナ
４受信高周波部
５受信筐体
６Ａ／Ｄコンバータ
７送信レンズ
８送信鏡筒
９送信アンテナ
１０送信高周波部
１１送信筐体
１２筐体
１３撮像ボタン
１４ハンドル
１５画面
１６位置センサ
１７画像処理部
１８二次電池
１９発振器
２０送信増幅器
２１送信アンテナ
２２受信アンテナ
２３低雑音増幅器
２４検波器
２５ローパスフィルタ
２６Ａ／Ｄ変換器
２７乗算器
２８局部発信器
２９ＩＦフィルタ
３０直交復調器
３１電力計算部

Claims

対象物に電磁波を照射し、反射する電磁波を受信する電磁波画像処理装置において、
前記電磁波を前記対象物に対して斜め照射する複数の送信手段と、
前記対象物のエッジによって発生する散乱反射波を受信する複数の受信手段と、
前記複数の受信手段の受信電界強度を求める検波手段と、
前記検波手段の出力を自装置の移動距離に対応させて二次元情報を取得する画像処理手段と、を備えたことを特徴とする電磁波画像処理装置。
前記電磁波画像処理装置は、さらに自装置の加速度情報を検出する加速度情報検出手段を備え、前記加速度情報を基づき時間に対する二階積分値である距離を算出し、自装置の移動距離を取得することを特徴とする請求項１記載の電磁波画像処理装置。
前記電磁波画像処理装置は、自装置の地軸に対する重力情報を検出する手段を備え、該重力情報と前記加速度情報に含まれる誤差成分を相殺することを特徴とする請求項２記載の電磁波画像処理装置。
前記電磁波画像処理装置は、さらに前記送信手段と前記受信手段との偏波面を直交させることにより、前記散乱反射波と人体で直接反射される反射波との電力差を求める手段を備えたことをとく特徴とする請求項１乃至３記載の電磁波画像処理装置。